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Ethernet と CSMA/CD方式

2022年10月18日

CSMA/CD方式

Ethernet では、1本の線を共有するバス型であり、複数の機器が同時に信号を出力すると、電圧の高低がおかしい状態となる(衝突,コリジョン)ため、同時に信号を出さない工夫が必要となる。ただし、他の人が信号線を使っていないことを確認してから、信号を出せばいいけど、確認から信号を出すまでの遅延により、衝突を避けるのは難しい。

また、1本の線を共有する機器の数が増えてくると、衝突の発生の可能性が高まってくる。

これらの問題を解決するためのルールが CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)方式である。

機器は、信号を出す場合、信号線が空いている状態を待ち、出力を行う。
もし、複数の機器が同時に信号を出した場合、電圧異常を検知したら衝突なので再送を試みる。
再送を行う場合には、乱数時間待つ。(機器が多い場合は、これでも衝突が起こるかもしれない)
乱数時間待っても信号線が空かない場合は、乱数時間の単位時間を倍にする。

どちらにしろ、バス共有する機器の台数が増えてくると、衝突の可能性は高まり、100台を越えるような状態は通信効率も悪くなる。

ただし、最近はスイッチングHUBで通信制御を行うことが一般的になり、CSMA/CD方式が使われることは減っている。

スイッチングHUB

＊BASE-T のような、HUB による接続では、複数の機器が異なる機器どうしで通信をする場合、その通信路を時分割多重するのではなく、通信相手に応じて内部回路を直接つながるように接続するスイッチングHUB(以下SW-HUB)が普及している。

バス型通信では、1本の線を共有するため、同じネットワーク内の別機器間の通信は、傍受することができる(タッピング)。しかし、SW-HUB の場合、機器同士が直接つながるので、傍受するのが困難であり、セキュリティ的にも望ましい。

データリンク層とMACアドレス

前述のように、1つのバス型接続のネットワーク内部には、同時に設置できる機器の数には限界がある。このため、小さなネットワークに分割したもの(サブネット)を、ブリッジやルータで接続し、隣接するサブネットにサブネット内の通信情報が出ないように分割することを行う。

Ethernetに接続する機器は、機器ごとにユニークな番号(MACアドレス)を持っている。このMACアドレスは、8bit✕6個の48bitの値で、メーカー毎に割振られた範囲の値を、機器ごとに異なる値がついている。

通信は、一般的に1500byte程のパケットを単位として送受信が行われる。サブネット内の通信では、自分宛のパケットかどうかをMACアドレスを見て受け取る。これらのレイヤーは、データリンク層と呼ばれる。

旧式のHUB(Dumb HUB)は、電気的に信号を増幅するだけなので、物理層(レイヤー1)だけで通信を行う。
スイッチングHUBは、MACアドレスを見て通信相手を判断(データリンク層/レイヤー2)する。最近では、SW-HUBのコネクタ毎に、パケットにタグを付加することで、1本のネットワーク経路に仮想的な複数のネットワークを構築するタグV-LANといった方式を使う場合もある。このような機能を持つSW-HUBは特にレイヤ2スイッチとも呼ばれる。

L2スイッチとL3スイッチ

サブネットに分割し、それぞれに異なるネットワーク番号を割り振り、中継するルータで FireWall を機能させることで、セキュリティを高めることが行われる。しかし、性能の高いスイッチングHUBは高価でもあり、1つのHUBに異なるネットワークを接続する必要がでてくることもある。この場合、IPアドレスを異なるネットワークの番号を偽装されると、データが盗み見られるかもしれない。

こういった相互に分離すべきネットワークであっても、柔軟なネットワーク構成とするためには、VLAN機能を持った L2スイッチ(レイヤ2スイッチングHUB) が使われる。タグVLAN機能付きのL2スイッチでは、特定のポートにVLANのタグ番号を割り当て、ポートに入る時にパケットに VLAN のタグ情報を付加し、そのパケットは同じ VLAN のタグをもつポートからしかデータを取り出せない。

L2スイッチ(レイヤ2スイッチ)は、機器のMACアドレスやパケットに付けられたVLANのタグ番号の情報(レイヤ2=データリンク層)でパケットの流れを制御している(下記OSI参照モデルの表を参照)。最近では、許可されていない機器がネットワークに侵入する不正侵入を防ぐために、登録されていないMACアドレスのパケットを通さないといった機能がある。

OSI参照モデルとレイヤ

第7層アプリケーション層アプリケーションの種類の規定

第6層プレゼンテーション層データフォーマットの交換

第5層セッション層コネクションの確立や切断などの管理

第4層トランスポート層パケットの分割合成や再送といった管理(TCP)

第3層ネットワーク層隣接するネットワーク間の通信(IPアドレス)

第2層データリンク層直接接続された機器間の通信(MACアドレス)

第1層物理層物理的な接続方法(コネクタや電圧など)

スイッチングHUBの中には、レイヤ3(IPアドレス)の情報でパケットの流れを制御するものもある。こういったスイッチは、L3スイッチ(レイヤ3スイッチ)と呼ばれるが、機能的にはルータと同じである。

一般的には、LANとWANを接続するための機器はルータ、LAN内部のネットワークを分離するためのものはL3スイッチと呼ぶ。

無線LANと暗号化

無線LAN(通称 WiFi)は、IEEE 802.11 にて規格が定められている。無線LANは、使う通信周波数で、2.4GHz帯を使うものと、最近増えてきた5GHz帯のものに分けられる。

IEEE802.11a 5GHz帯を使う、最大54Mbps
IEEE802.11b 2.4GHz帯を使う、最大11Mbps
IEEE802.11g 2.4GHz帯を使う、最大54Mbps
IEEE802.11n 2.4GHz/5GHzを使う、最大600Mbps
IEEE802.11ac 5GHz帯を使う、最大6.9GBps
IEEE802.11ad 60GHz 最大6.8Gbps
IEEE802.11ax 2.4GHz/5GHz 最大 9.6Gbps

2.4GHz帯は、電子レンジで使う電波の周波数と重なるため、電波干渉を受けやすい。5GHz帯は、障害物の影響を受けやすい。
2.4GHzは様々な家電製品・電子機器で利用されているため、他の機器との干渉を受けやすく速度低下を起しやすいが、遠くまで電波が届きやすい。 5GHzは、この周波数帯を利用している機器が少ない為、干渉を受けにくく安定して通信できるが、あまり遠くには電波が届かず、通信が極端に不安定になる場合がある。

無線LANに接続する場合には、接続先(アクセスポイント)に付けられた名前(SSID)と、SSIDに割り振られたパスワードが必要となる。ただし無線は、電波で信号を飛ばすため、近くに行くだけで通信を傍受できる。このため、データの暗号化が必須となる。この暗号化は、そのアルゴリズムにより解読の困難さが変わる。

WEP 64bit / 128bit – すでに古い暗号化で専用ソフトを使うとすぐに解読される可能性が高い。使うべきではない。
WPA/WPA2 – 現時点の主流。
- 暗号化方式 TKIP や暗号化アルゴリズム AES

無線LANでは、車でセキュリティの甘いアクセスポイント(暗号化無しやWEPを使うAP)を探し、その無線LANを使ってクラッキングなどをおこなう場合も多い。(ウォードライビング)

勝手に無線LANを使われないようにするために一般的には、(1)アクセスポイントに接続できる機器をMACアドレス(機器に割り当てられた48bitの固有値)で制限したり、(2)SSIDのステルス化(APが出す電波にSSIDを入れない方式)を行う場合も多い。ただし、これらの制限をかけても専用の機器を使えば通信は傍受可能。

電子情報棟学生用WiFiの設置

2021年4月12日

電子情報棟では、本館などの教室のネットワークとは別に、ネットワーク環境を活かした実験での利用ができるように無線LANのアクセスポイントを増設しました。

接続には下記のように設定してください。

SSID : nitfc-ei-student
セキュリティレベル：WPA2-エンタープライズ
ログイン：<教育用システムID>
- 例：s53599ts (@以降は不要)
パスワード：<教育用システムパスワード>
- [要注意] Microsoft365のパスワードではありません。
使用可能な部屋：4EI教室、5EI教室、EI棟3F演習室
これに合わせ、4EI教室,5EI教室壁の有線LANもすぐに使えるように設定しました。

なお ferec_wlan_* のアクセスポイントは、将来的に撤去する予定です。